基于KajaaniRM3的特種紙留著率在線測量控制系統

霍 宏

(牡丹江恒豐紙業股份有限公司，黑龍江牡丹江，157013)

牡丹江恒豐紙業股份有限公司 (以下簡稱恒豐紙業)16#特種紙機主要生產卷煙用紙，多種工藝指標要求非常嚴格。

從造紙工藝來講，如果紙機濕部的網下白水濃度穩定，則網部的留著率也就能夠穩定，即產品的合格率提高。眾所周知，紙機濕部會受到多種生產變化因素的影響，所以紙機濕部工藝參數很難穩定。對于卷煙用紙來講，紙機濕部的白水成分主要是原料中的纖維和碳酸鈣，所以保證原料纖維濃度和碳酸鈣濃度的穩定就可保證白水濃度和網上留著率穩定。從控制理論上來講，若要保證纖維濃度和碳酸鈣濃度穩定，則必須準確測量出纖維濃度和碳酸鈣濃度。恒豐紙業16#特種紙機采用的是美卓公司KajaaniRM3濃度分析儀和傳感器監測網下白水濃度。

1 KajaaniRM3濃度分析儀的組成和測量原理

KajaaniRM3濃度分析儀結構如圖1所示，主要由1個測量單元 (傳感器)、1個變送器中心單元(TCU)和1個手動取樣器組成。在恒豐紙業16#特種紙機上，KajaaniRM3濃度分析儀安裝在紙機中央布漿器旁邊，取樣器安裝在中央布漿器回流管路上。KajaaniRM3濃度分析儀是模塊化測量分析儀，可以根據工藝要求和現場取樣位置進行模塊化安裝，如取樣器、樣品泵、反沖洗隔絕閥等都是可選組件。KajaaniRM3濃度分析儀在TCU中有各種用戶接口、PC連接和DCS連接。在TCU中可以進行就地采樣和查看等操作;PC連接可以通過FidldCare軟件進行測量數據查看、組態、標定、診斷和趨勢;DCS連接接口用于操作、控制和報警。

圖1 KajaaniRM3濃度分析儀的結構

1.1 測量單元

測量單元為KajaaniRM3濃度分析儀的傳感器部分，由圖1可知，測量單元主要由光學測量模塊、電子連接單元、沖洗單元組成。測量單元可以對中央布漿器回流白水進行在線連續測量，不僅可以測量白水總濃度，也可以測量出白水中的碳酸鈣濃度，同時可以計算出碳酸鈣百分比。

1.1.1 光學測量模塊

光學測量模塊由激光源、氙光源、測量室、檢測器等組成。在測量過程中，激光源和氙光源交替發出并形成一定波長的極化光，極化光通過光束分離器分成兩束極化光，其中一束極化光在測量室中被白水中的纖維和碳酸鈣吸收衰減成測量信號，另一束未被衰減極化光作為參考信號。測量信號和參考信號通過檢測器就可以計算出白水中纖維濃度和碳酸鈣濃度。

1.1.2 電子連接單元

電子連接單元包括對白水測量指標的數據采集和控制中央處理器單元 (CPU);包括監測和控制模擬量、數字量I/O信號板部分;包括測量白水pH值、電導率、溫度的測量放大板;包括與其他設備通信的通信板，可以實現PC連線和Hart通信協議。

1.1.3 沖洗單元

沖洗單元包括沖洗閥A和反沖洗隔絕閥B。沖洗單元的功能為在規定階段對樣品進行正反兩個方向清洗，在TCU中可以對正反兩個方向的清洗時間進行設定。

1.2 KajaaniRM3濃度分析儀測量原理

KajaaniRM3濃度分析儀主要是檢測網下白水中纖維濃度和碳酸鈣濃度，圖2為KajaaniRM3濃度分析儀的測量原理。

圖2 KajaaniRM3濃度分析儀的測量原理

KajaaniRM3濃度分析儀主要是利用光學原理進行測量。由圖2可知，該分析儀有兩個光源 (激光源、氙光源)和6個接收信號組成。兩個光源在沒有進行測量之前，氙光源通過偏光鏡變成極化光，然后通過反光鏡將兩個光束分成兩路光，一路是測量光束，另一路是參考光束。測量光束測量樣品時遇到纖維素和碳酸鈣顆粒會把光束變成散射光和較亮的一致性光束，則散射光接收元件和氙氣/激光測量元件分別接收這兩種光束。最終氙光/激光測量元件檢測信號和氙光/激光參考元件檢測信號作為參考信號，以散射光接收元件檢測信號作為補償信號，就可以計算出纖維和碳酸鈣顆粒在白水中的含量。

2 留著率在線間接測量原理

留著率是指從流漿箱噴射出的漿料留著在網部伏輥處的物料與從流漿箱噴射出的漿料之比。即留著率=［(流漿箱漿料－網下白水漿料)/流漿箱漿料］×100%［1］。在造紙過程中，通過流漿箱的漿料量和留著在網上網下漿料量是一定的，即知道流漿箱漿料濃度和網下白水物料濃度便可知其留著率。

通過上述分析可知，若想準確測出網部留著率，需要安裝兩套留著率分析儀，分別檢測流漿箱漿料和網下白水的濃度。恒豐紙業16#特種紙機只在中央布漿器回流管路上安裝1臺KajaaniRM3濃度分析儀檢測網下白水濃度，沒有檢測流漿箱漿料濃度，也實現了留著率自動控制，圖3為恒豐紙業16#特種紙機留著率自動控制原理圖。

2.1 網下白水濃度檢測和流漿箱漿料濃度計算

對于卷煙用紙，從流漿箱噴射出的漿料主要為漿纖維和碳酸鈣混合漿料。由圖3可知，16#特種紙機網下白水的纖維和碳酸鈣濃度可通過安裝在中央布漿器回流管路上的KajaaniRM3濃度分析儀實時檢測。

流漿箱漿料濃度可通過QCS和DCS系統檢測到信息進行計算得出。流漿箱中漿料體積一定，知道流漿箱漿料纖維質量和碳酸鈣質量就可計算出流漿箱漿料的纖維濃度和碳酸鈣濃度，便可知漿料總濃度。在該方案中，流漿箱漿料纖維質量和碳酸鈣質量可通過QCS系統掃描架檢測紙張的絕干定量和灰分進行檢測，從而可知流漿箱漿料中的纖維濃度和碳酸鈣濃度，但該濃度是靜態理想濃度。造紙過程是一個動態過程，所以流漿箱漿料動態的纖維濃度和碳酸鈣濃度，具體計算見式 (1)和式 (2)。

圖3 留著率自動控制原理

漿料動態纖維濃度=

式中，漿料動態纖維濃度、碳酸鈣動態濃度單位均為g/L;上漿、白水量、布漿器回流量單位均為L/min;網速單位為m/min;K為標定系數，K=3.65;灰分質量(g)=QCS灰分測量的百分比×紙張定量。

在恒豐紙業16#特種紙機應用中，留著率控制采用的是KajaaniRM3濃度分析儀檢測的網下白水總濃度，所以流漿箱漿料濃度也采用總濃度，即漿料動態纖維濃度加上碳酸鈣動態濃度之和。網下白水碳酸鈣濃度和流漿箱碳酸鈣濃度用于日常參考查看。

2.2 留著率控制原理

由式 (1)和式 (2)可知流漿箱漿料和網下白水動態濃度，若這兩個濃度穩定，就可以保證濕部工藝指標穩定，產品合格率即可提高。但在實際生產中網下白水濃度波動很大，同時也會干擾流漿箱漿料濃度，所以關鍵是保證網下白水濃度的穩定。

在實際生產中通過添加助留劑可以改善穩定留著率，降低網下白水濃度波動。所以控制助留劑的流量是控制網下白水濃度最有效的辦法，即通過控制白水濃度間接控制網部留著率。該方案中留著率控制分為兩級控制，一級是助留劑流量控制，即內環控制;二級是網下白水濃度控制，即外環控制。由圖3可知，螺桿泵馬達 M、流量計L與PC面板(PLC200控制器)可以組合成一級助留劑流量自動控制。當PC面板進入本地自動狀態時，螺桿泵馬達M轉速可根據助留劑流量大小進行控制;螺桿泵馬達 M、KajaaniRM3濃度分析儀、PC面板 (PLC200控制器)、QCS服務器組合成二級助留劑濃度自動控制。當在PC面板切換到遠程控制狀態 (螺桿泵馬達M轉速不受PLC200檢測到流量計信號大小進行控制)與QCS系統組合成二級網下白水濃度控制時，即KajaaniRM3濃度分析儀檢測到網下白水濃度信號送到QCS服務器，然后QCS服務器上設定的白水濃度與KajaaniRM3濃度分析儀檢測到網下白水濃度進行比較，形成的輸出控制信號傳給現場的PLC200控制器，控制助留劑螺桿泵的轉數，從而保證網下白水實時滿足生產工藝要求。

由上述分析可知，保證網部留著率穩定之外，紙張的定量和灰分穩定尤為重要。由圖3可以看出，網下白水濃度、流漿箱漿料濃度、漿料量、碳酸鈣量之間存在相互制約干擾關系，所以也需要穩定控制漿料量和碳酸鈣量。由圖3可知，該方案中漿料量與碳酸鈣量通過掃描架檢測紙張的定量和灰分來控制。當二級控制投入自動控制時，QCS系統會根據紙張的定量、灰分和網下白水濃度進行解耦模型運算來控制網下白水濃度，最終保證紙機無論在正常生產狀態下還是斷紙接頭時都能保證一個穩定快速的動態控制過程。

3 留著率自動控制方案

圖4為留著率控制系統硬件結構組成。從圖4可知，留著率控制系統包括執行部分和控制部分。執行部分包括助留劑變頻器和螺桿供料泵控制輸出;控制部分包括西門子 PLC200控制器、PC控制面板、QCS/DCS控制器和QCS操作站/服務器。

西門子PLC200控制器可以通過PC面板進行本地控制和QCS遠程控制。助留劑由南京麥文公司制備，本文不加贅述。助留劑給定輸出通過PLC200控制器來控制變頻供料泵來實現，可以通過PC面板進行本地和QCS遠程控制。

圖4 留著率控制系統硬件結構組成

PC面板、PLC200控制器、變頻泵和流量計組成助留劑流量控制系統，即內環控制。該控制具有手動控制、自動控制和報警功能。手動控制功能即在PC面板上給變頻泵一個固定頻率向紙機系統里輸送助留劑，對助留劑的流量不做控制，所以手動控制不適合助留劑流量波動和濃度波動環境。自動控制功能就是PC面板、控制器、流量計和變頻泵組成了一個PID流量控制回路，所以助留劑流量波動可以控制，但是對網下白水濃度波動還是不能實現控制，網下白水濃度控制問題在上述留著率控制原理中已分析。

該方案留著率自動控制采用的是網下白水濃度控制，即采用上述中的二級控制方案。控制邏輯結合圖4所示，根據當前生產工藝單白水濃度要求在QCS操作站/服務器上輸入白水濃度設定值，白水濃度設定值與KajaaniRM3濃度分析儀檢測白水濃度值進行比較后，輸出控制信號給PLC200控制器，然后PLC200控制器來控制變頻器和螺桿供料泵，從而通過助留劑來控制網下白水濃度穩定。流漿箱漿料濃度根據2.1部分介紹，已經知道了流漿箱漿料總濃度計算方法。由留著率定義可知，知道了白水總濃度和流漿箱漿料總濃度便可知道紙機網部留著率。在恒豐紙業16#特種紙機實際應用中，由于流漿箱的漿料量和留著網上網下漿料量以及流漿箱漿料濃度基本是不變的，所以控制網下白水濃度穩定就可以保證網部留著率穩定［2］。

3 結語

恒豐紙業16#特種紙機網部留著率控制方案在實際應用中控制效果比較明顯，但在更換品種相差較大紙種時控制響應速度相對慢一些。如果是更換過的紙種或相近的紙種可以根據經驗值進行設定控制，這樣控制響應速度就會顯著提高。如果采用在流漿箱和網下白水各安裝1臺美卓KajaaniRM3濃度分析儀，在更換紙種或斷紙時控制效果會更好，但是資金投入也會大幅增加。

［1］ CAO Yan-jun．Measures to Improve Retention System［J］．China Pulp ＆ Paper，2004，23(3):64．曹衍軍．提高系統留著率的措施［J］．中國造紙，2004，23(3):64．

［2］ LU Ping．Application of On-line Detection System in Specialty Paper Machine［J］．China Pulp ＆ Paper，2013，32(4):53．陸 平．在線監測系統在特種紙機上的應用［J］．中國造紙，2013，32(4):53． CPP